張通樂

摘要：現(xiàn)階段，隨著社會的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展也有了很大的提高。高速鐵路橋梁一般都會采用靜定結(jié)構(gòu)，設(shè)計比較簡單，但是系統(tǒng)中的支座系統(tǒng)是由于與道床、鋼軌之間的相互作用，構(gòu)造比較復(fù)雜。根據(jù)高速鐵路支座系統(tǒng)的要求，本文從我國鐵路橋梁的基本概況和國家橋梁設(shè)計基本要求入手，分析近些年自然災(zāi)害發(fā)生時鐵路橋梁的情況及遇到的問題，進行支座減震系統(tǒng)的設(shè)計和測試，得出恰當(dāng)?shù)慕Y(jié)論。

關(guān)鍵詞：鐵路橋梁;支座減震;技術(shù)研究

中圖分類號：U442.55

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1674—3024（2019）06—0061—02

引言

我國正處于高速鐵路快速發(fā)展的重要時期，為了節(jié)約珍貴的土地資源，高速鐵路（客運專線）在建設(shè)過程中大量采用“以橋代路”的理念。據(jù)統(tǒng)計橋梁比例已達到高速鐵路線路總長度的70%～80%左右，在這當(dāng)中絕大部分是簡支箱梁橋。作為一種新時代的運輸方式，高速鐵路相比于其他運輸方式具有安全性好、舒適度好、速度快及高密度運行等特點，為了滿足高速列車在運行過程中的安全性和平順性指標(biāo)，高鐵橋梁普遍采用重力墩，箱梁的重量及尺寸比普通橋梁大得多，橋梁的整體剛度因此大大提高，結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)明顯增大。我國地處歐亞地震帶和環(huán)太平洋地震帶之間，是一個地震災(zāi)害嚴(yán)重的國家，采用傳統(tǒng)延性設(shè)計的重力墩在超出設(shè)計地震烈度的強烈地震下容易遭受嚴(yán)重破壞。為了保證高速鐵路的安全運行，將已經(jīng)在普通橋梁中應(yīng)用的隔震技術(shù)引入到高鐵橋梁中無疑是一種好的解決辦法。

1 我國鐵路橋梁支座系統(tǒng)的概況

靜定結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計簡單，在鐵路橋梁中普遍采用。而在實際的應(yīng)用操作中，靜定結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的支座系統(tǒng)又與鋼軌、道床、鐵路互相作用、影響，進而形成復(fù)雜的構(gòu)造，特殊的體系。因此在操作過程中，只能對鐵路支座不同的方案采取不同的操作。靜定結(jié)構(gòu)在設(shè)計中，鐵路路線由于會出現(xiàn)平坦、崎嶇等狀況，也會遇到河流等地形，因此，會根據(jù)當(dāng)?shù)氐匦螛?gòu)造的不同進行合理、科學(xué)、經(jīng)濟設(shè)計。

2 橋梁模型

本文以某高鐵六跨簡支梁橋為計算模型，橋梁每跨跨度32m，每跨兩端橋墩的形狀配筋尺寸均相同，每個橋墩頂部布置四個摩擦擺支座。該橋梁的主要參數(shù)如下：橋墩墩高為23.5m，為C35圓端型截面，采用Mander本構(gòu)，鋼筋為HRB400，采用雙線性本構(gòu)。主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土C50，其余混凝土均為C40。橋梁所在場地特征周期為0.45s，設(shè)防烈度為8度（0.3g），場地類別I類。使用有限元軟件SAP2000進行建模，計算模型如圖1。摩擦擺支座采用SAP2000中的FrictionIsolator連接單元模擬，減震榫采用Plastic（Wen）連接單元來模擬，橋墩中混凝土和鋼筋均采用纖維模型。在SAP2000可以定義混凝土的Mander本構(gòu)，考慮無約束混凝土、約束混凝土，并使用纖維截面劃分鋼筋混凝土單元。根據(jù)縱筋的直徑、間距及箍筋的數(shù)量、直徑，按照等量原則估算約束混凝土的提高作用。本文所選用的摩擦擺支座為摩擦單擺式阻尼支座，該支座的球面曲率半徑為1.5m，球面摩擦系數(shù)為0.03，豎向設(shè)計承載力為5000kN，設(shè)計極限位移為80mm。與摩擦擺支座共同作用的減震榫實際上是一種軟鋼阻尼器，是典型的懸臂梁結(jié)構(gòu)，屬于純彎構(gòu)件，其構(gòu)造見圖2。減震榫的主體采用圓形截面，分為AB過渡段和BC核心耗能段，AB段截面直徑呈線性變化，BC段截面直徑變化滿足等強度要求，為保證減震榫表面圓滑，AB段與BC段在B點相切。鐵路橋梁支座在實際的運用過程中還存在一定的問題，主要有：（1）地震災(zāi)害中，鐵路橋梁支座螺栓受到重創(chuàng)后發(fā)生斷裂等現(xiàn)象，支座裝置被徹底破壞，失去應(yīng)有的功能，發(fā)生上下盤錯位的現(xiàn)象。（2）橋墩在震后出現(xiàn)的裂縫較為嚴(yán)重，并且裂縫前后貫通，局部地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)坍塌、崩裂等癥狀。從這次的地震中可看出，傳統(tǒng)的鐵路橋梁抗震在設(shè)計過程中，存在著嚴(yán)重的問題、弊端，有效解決這些問題的最佳方法便是引進先進、科學(xué)的減震設(shè)計。

3 鐵路橋梁支座減震原理、設(shè)計理念、方法

鐵路橋梁支座減震設(shè)計有減隔震技術(shù)、延性抗震設(shè)計兩種。其中，減隔震技術(shù)就是減少地面與結(jié)構(gòu)的力量，在減震裝置的作用下將兩者分離。而延性抗震設(shè)計主要是利用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的延伸優(yōu)勢來發(fā)揮其作用，達到抗震的效果。就橋墩而言，抗震的原理是塑性改變，而在實際中，又形成了不穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)，因此在此基礎(chǔ)上采用延性抗震設(shè)計，進而控制塑性變形。根據(jù)鐵路橋梁支座功能分離的理念，改變設(shè)計思想和設(shè)計方法，把固定的支座改為可以活動的支座，在橋墩與橋梁之間設(shè)置減震材料。

4 通過實驗進一步測試鐵路橋梁支座減震效果

4.1 有針對性的進行減震效果測試

實驗中采用橋梁橡膠支座系統(tǒng)測試減震效果，在列車的通行中觀察，其所受到的振動是否在規(guī)定范圍之內(nèi)。并且對數(shù)據(jù)進行記錄、分析，在此基礎(chǔ)上進一步研發(fā)新型減震系統(tǒng)，改善其不合理的系統(tǒng)。

4.2 采用兩種方法進行減震效果測試

（1）實驗中對橋墩安裝不同的支座，一種是安裝橡膠支座，另一種是無橡膠支座，這兩種情況下如果受到超負荷的沖擊會產(chǎn)生什么樣的抗震效果，對其進行計算，通過計算對比，選出最佳的支座減震系統(tǒng)。（2）采用沖擊振動法，對地面不同程度、距離的振動，進一步比較有無橡膠支座的情況下，哪一種減震效果更好。通過兩種測試方法得出以下結(jié)論：在鐵路橋梁支座的減震系統(tǒng)中，采用橡膠支座具有一定的減震效果，但在測試中也存在其他因素的影響效果。因此，在以后的研究、設(shè)計中，橡膠支座是最佳的選取材料，在相互因素的結(jié)合考慮下，才能研發(fā)出更加具有減震效果的支座系統(tǒng)。

4.3 抗震強度及穩(wěn)定性驗算

橋梁的抗震設(shè)計要根據(jù)安全和經(jīng)濟兩方面統(tǒng)籌考慮，針對不同強度的地震采取不同的設(shè)計方法和要求?！惰F路工程抗震設(shè)計規(guī)范》規(guī)定設(shè)計烈度為7度及7度以上時，要按規(guī)定進行抗震設(shè)計及驗算，設(shè)計烈度高于9度或有特殊要求的建筑物及新型結(jié)構(gòu)應(yīng)進行專門研究設(shè)計。橋梁抗震驗算的荷載組合為地震作用與恒載和活載的最不利組合。其中，恒載包括結(jié)構(gòu)自重、土壓力、靜水壓力及浮力，活載包括活載重力、離心力及列車活載產(chǎn)生的土壓力。橋梁抗震強度及穩(wěn)定性驗算一般只需考慮水平地震荷載，并在順橋和橫橋兩個方向分別進行計算，主要驗算地基承載力、橋墩的水平地震荷載及內(nèi)力、橋臺的土壓力和水平地震力等。

4.4 設(shè)計方法

對一般橋梁工程，可按規(guī)范所規(guī)定的簡化方法進行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計。我國規(guī)范是采用反應(yīng)譜理論進行抗震設(shè)計，即根據(jù)設(shè)計烈度，以簡便的地震荷載系數(shù)計算地震慣性力，作為地震荷載，然后以一般結(jié)構(gòu)靜力計算步驟求得結(jié)構(gòu)最大內(nèi)力和變位，使其控制在規(guī)范容許值的范圍內(nèi)來確保結(jié)構(gòu)的抗震安全。對大跨度或特別重要的橋梁結(jié)構(gòu)，應(yīng)對結(jié)構(gòu)進行地震動力分析（地震反應(yīng)分析）。分析的方法一般是直接根據(jù)建橋地區(qū)在強震時地面運動的加速度記錄，依照動力學(xué)的原理，應(yīng)用電子計算技術(shù)，對結(jié)構(gòu)作地震動力分析計算。對于已經(jīng)建成的橋梁結(jié)構(gòu)，如不滿足現(xiàn)行規(guī)范抗震設(shè)防的要求，也可通過結(jié)構(gòu)地震動力分析作進一步的抗震鑒定和決定最優(yōu)加固方案。

5 結(jié)語

靜力結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，在鐵路橋梁支座減震系統(tǒng)中普遍運用，但由于受到軌道、列車、道床之間的相互影響、作用，其構(gòu)造變得更為復(fù)雜，因此，在設(shè)計中一定要考慮到其他因素的存在，進行綜合考慮。本文在支座設(shè)計方法、理念、原理的基礎(chǔ)上，研究了鐵路橋梁支座減震效果，設(shè)計過程中，一定要考慮除了基本的結(jié)構(gòu)以外，增加一些零部件來補償、適應(yīng)橋梁支座的特殊要求，達到支座最佳優(yōu)越性，起到減震的效果。

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